基于人工智能的“树莓派”校本课程设计与实施

沈萍强

随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新技术迅猛发展，信息科技学科教学内容亟待更新。2020年，浙江省教育厅教研室对初中信息技术教材做了全面修订，其中《浙江省义务教育教科书信息技术八年级下》新增了物联网和人工智能课程内容模块。由于缺少配套的教学器材和数字化工具，学生无法经历模拟、仿真、验证等过程，更谈不上创新，很多信息科技教师对于新增内容不知如何有效教学。我国某科技公司以“树莓派”（微型电脑主板）为载体研发了配套的数字化教具（数字设备、平台）并提供教学资源，支持学生有效管理学习过程与学习资源，开展探究性学习，创造性地解决问题。为此，笔者围绕物联网和人工智能课程内容，以“智能车辆管理”项目为例，开展基于“树莓派”的校本课程教学，引导学生在真实问题情境下参与项目式学习，鼓励他们“做中学”“用中学”“创中学”，提升数字素养与技能，增强数字化适应力、胜任力、创造力。

一、“树莓派”校本课程内容设计

《义务教育信息科技课程标准（2022版）》指出：教师要因地制宜地遴选符合教学要求、体现育人价值的资源，并结合学生认知水平对已有案例或素材等进行二次开发与迭代。笔者基于物联网和人工智能等课程内容，以学生已有的知识、技能和经验为起点，遵循学生学习规律，按照项目教学流程来设计“树莓派”校本课程（教学内容及安排见表1），为学生创设真实的学习情境，营造能力与品格融合发展的成长环境。

教师让学生在“场景分析—原理认知—应用迁移”的项目式学习中，选用合适的“树莓派”设备与资源，有效地参与数字化学习与合作探究活动，利用信息科技手段创造性解决问题，提升数字素养与技能。

（一）基础知识讲解：走进“树莓派”与“古德微”

教师将认知和体验定为教学目标，帮助学生认识“树莓派”及其部件构成，掌握“树莓派”的开机方法。从“树莓派”的连接方式出发，教师引出“古德微”图形化编程平台，引导学生认识平台的基本界面，掌握平台与“树莓派”的连接方式，初步了解平台中的各个指令模块。学生系统了解并掌握开机连接设备与登录平台方法，会激发对新技术的学习兴趣和形成信息意识，有利于理解物联网的基本概念和基本原理，认识新技术对人类社会的贡献与挑战。

（二）物联网创意制作：物联设计

教师利用“古德微”硬件体系组织学生参与“树莓派”校本课程的学习与实践（如图1），并将各种传感器知识、积木式编程模块及编程基础知识分解到6个具体课程中（见表2）。学生参与编程和实践活动，在感知、体验和应用物联网技术的过程中，其计算思维水平和发现问题、解决问题的能力会得到提升。

（三）人工智能项目创作：智能创作

在学生对编程思想及软硬件结合有初步了解的基础上，教师结合先进的人工智能理论和技术，逐步培养学生从感知体验到理解使用人工智能的能力。课程包含语音识别、语音控制、语音合成、图片识别、人脸识别与对比以及机器学习和模型训练等（见表3），涵盖了当前人工智能的主要应用领域。学生学习课程内容，对人工智能将有充分的认识与理解，能够使用人工智能实现日常的项目作品创作，解决生活与学习中的问题，在项目活动中了解并掌握人工智能的基本理念和核心原理，提升对人工智能的应用能力。

二、“树莓派”校本课程的教学方法设计

初中生思维能力逐渐从形象思维向逻辑思维过渡，其辩证逻辑认知能力不断完善，并且认知活动的自觉性明显增强。教师在教学中要注重学生对理论知识的学习和掌握，但单纯讲解理论知识，又不完全符合初中生逻辑思维发展的特点。教师采用以项目教学为主、讲授为辅的方法教学。在讲解理论知识时，笔者立足于初中生的知识基础，注重讲解“树莓派”校本课程中关键性、基础性的概念，讲解算法与程序设计的基本思想与“树莓派”和传感器等硬件的工作原理。在实践环节，教师则采用项目教学法，与学生共同参与用“树莓派”解决实际问题的项目活动的完整过程。学生在活动中探究学习，逐步提升核心素养。

学生在小学阶段学过Mind+之类的图像化编程。基于此，教师在课程伊始先安排1个课时让学生熟悉“树莓派”图形化编程平台，再根据学生在完成项目任务过程的需求，补充讲解算法等编程知识，提高项目作品各项功能的实现率，使项目成果更完善且人性化。

三、“樹莓派”校本课程的教学过程

笔者设计的树莓派校本课程主要在学校课后服务时段以拓展课形式开展，每周安排2课时，每学期开设16周共32个课时。学生先学习“树莓派”硬件体系和图形化程序设计知识，再参与项目实践，不断提高分析问题和解决问题的能力，实现基础知识的迁移。下面，笔者以“智能车辆管理”项目为例，阐述“树莓派”校本课程教学的实施过程。

（一）确定项目主题

真实情境下的问题涉及多学科知识。教师将真实情境问题作为项目教学的出发点，有利于引导学生分析问题、解决问题并深刻反思，以此提高学生解决问题的能力。笔者所在学校生源来源于周边的各个拆迁小区。学生注意到小区内乱停车、占道停车等问题非常严重。车辆停放者除了小区业主之外，还有许多租住人员、家庭作坊从业人员及周围商店的顾客等。学生需要设计制作一个能识别本小区内人员车辆并自动放行、禁止非小区车辆进入的车辆管理系统，这样既能减轻小区安保人员的工作负担，又能营造安全、有序、畅通的小区内部交通环境。根据上述情况，学生决定利用“树莓派”校本课程中前期学到的知识来设计小区智能车辆管理系统。

（二）分析项目需求

分析项目需求是学生经过深入细致的调研和分析，确定项目需要实现哪些功能和完成哪些工作的过程。学生经过实地调查，统计小区业主和租户的居住信息，登记车辆的车牌号码；采访车主和安保人员，明确项目需要具有的功能。在调查分析的基础上，学生根据自身生活经验或者上网了解现有车牌识别技术的优缺点。结合小区的来往车辆特点，学生决定选择采用车辆识别系统管理小区车辆。基于调查结果，学生明确了智能车辆管理需要具有的功能：车辆进入感应区域后，由超声波传感器感知并将电平信号传递给“树莓派”控制中心；由“树莓派”控制摄像头拍摄照片传入后台，与车辆信息库中登记的车牌号码数据进行比对，由音箱播报识别结果，决定是否抬杆放行。

（三）设计项目方案

在明确项目需求后，各组围绕项目主题设计方案，包括项目的各个功能、所需元器件、程序模块等，用“头脑风暴”等方法研讨项目方案。学生先以实地观察、网络搜索等方式了解车辆道闸的设置和安装等规范要求，再组内交流（思维碰撞），确定智能车辆管理项目方案（见表4）。

（四）实施项目方案

各组根据项目方案，按照连接硬件、设计程序、调试运行、设计模型四个步骤完成智能车辆管理项目的作品制作。学生首先确定每种电子元器件的连接方式，了解每种元器件的工作特性、连接各种电子元器件，并根据项目的解决方案绘制流程图（如图2），描述算法，为编写程序代码做好准备工作。学生按照流程图编写智能车辆管理的程序，其中车牌信息识别程序是核心，也是项目实施的难点。学生可以组内讨论，或向教师求教，在完成整个项目程序的编写过程中提升计算思维能力。参照流程图，在编程平台中拖动积木完成程序编写后，学生对项目功能进行运行调试，观察其是否达到运行要求，并根据调试区输出的信息进行修正，在“设计→实践→反思→改进”的迭代过程中优化功能。在设计模型环节，小组成员设计智能车辆管理的展示模型，并利用中鸣机器人积木零件等完成搭建工作。

（五）评价项目成果

笔者评价学生的项目成果，关注的不仅仅是问题是否被解决，更关注学生探索能力的发展。在展示环节，各组学生将创作的项目作品进行展示（扫码查看），在展示中分享合作经验、遇到的难题及解决问题的方法与过程等。笔者借此提升学生的表达能力和审美能力。

建立评价标准是项目活动设计过程中不可或缺的环节，师生应根据项目任务要求，共同建立具体的评价标准。

笔者与学生共同制定了项目作品评价标准：作品创新性（30 分）、作品實用性（30 分）、作品讲解（20 分）、作品外观（20 分）。依据评价标准，各组进行互评并提出优化措施，以便后期迭代、完善智能车辆管理的各项功能，展示成熟的实物作品。

笔者开设“树莓派”校本课程旨在为学生创设自主、合作、探究的数字化学习情境，让学生围绕学习任务协同创新，利用“树莓派”等数字设备与团队成员合作思考问题、分析问题和解决问题，设计和创作出个性化作品，提升数字素养与技能，培养科学精神。在今后的教学中，笔者将继续对教学内容、教学方法和教学过程进行优化和完善，构建成熟的“树莓派”校本课程体系。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准：2022年版[S].北京：北京师范大学出版社，2022：54.

[2] 刘峡壁.高中人工智能普及课程的设计与教学实施[J].中小学数字化教学，2022（1）：66.

[3] 伦博.基于项目式学习的中学创客教育活动设计与实践——以Arduino“行人过街智能交通灯”为例[J].中国信息技术教育，2022（1）：47.

[4] 王伟伟.STEM理念下的“智能垃圾桶”项目活动设计与实践[J].中小学数字化教学，2019（9）：72.

（作者系浙江省桐乡市高桥实验学校教育集团高桥实验学校教师）

责任编辑：祝元志